JP4858763B2

JP4858763B2 - 摩擦撹拌点接合体

Info

Publication number: JP4858763B2
Application number: JP2006177394A
Authority: JP
Inventors: 晃二田中; 正樹熊谷; 英雄吉田
Original assignee: Sumitomo Light Metal Industries Ltd
Current assignee: Sumitomo Light Metal Industries Ltd
Priority date: 2006-06-27
Filing date: 2006-06-27
Publication date: 2012-01-18
Anticipated expiration: 2026-06-27
Also published as: JP2008006451A

Description

本願発明は、例えば軽量化のために自動車用部品等において使用される異種金属接合体に関するものである。

近年、環境保護や省エネルギーという社会的要請が強まり、その結果自動車部品の分野では、該社会的要請が排気ガス規制の強化や燃費向上という形で影響を与えている。そのため、排気ガス規制の強化や燃費向上を実現すべく、最も大きな要因である車体の軽量化が注目されている。そこで、自動車部品に、アルミニウム合金と鋼を一体に接合してなる異種金属接合体を適用することが提案されている。

ところで、上記アルミニウム合金と鋼からなる異種金属接合体は、両者を一体に接合する際に、アーク溶接、レーザ溶接、抵抗溶接のような融接法や、回転摩擦圧接、超音波圧接、爆発圧接及び電磁圧接のような固相接合法を用いるものである。

しかしながら、融接法による異種金属接合体は、異種金属間の接合界面に脆い金属間化合物が形成されやすいので、接合強度が低下し、自動車部品として必要な強度が確保しにくいという欠点がある。

また、固相接合法による異種金属の摩擦撹拌接合体は、設備及び該異種金属の摩擦撹拌接合体を製造するに当たって継手形状が著しく限定されるので、接合作業が非常に煩雑になるという欠点がある。

更に、その他の圧接や爆着で作製したトランジッションピースを介した接合法による異種金属接合体は、製造にあたっての製造設備の規模や安全性の確保が困難であり、製造コストが高くなるという欠点がある。

そして、近年、特に固相接合法の一つとして知られる摩擦撹拌接合法によってアルミニウム合金と鋼とを一体に接合することが試みられている。しかしながら、該摩擦撹拌接合法による異種金属の摩擦撹拌接合体は、自動車部品として必要とされる接合強度は十分に得られるものの、接合材同士を突き合わせや重ね継ぎ手とした線接合によるものに限られており、該異種金属の摩擦撹拌接合体の適用部品の範囲が狭い上、設備の規模拡大、接合作業性の困難さや回転工具の摩耗等による製造コストの上昇が問題となっている。

特開２００３−２７５８７６

本願発明は、上記問題点を解決するものであり、アルミニウム合金と鋼による異種金属の摩擦撹拌接合体の接合作業の効率化や製造コストの低減により、適用範囲を拡大することで、自動車部品における軽量化に貢献するものである。

上記課題を解決するため、本願発明は、例えばアルミニウム合金と鋼による異種金属を摩擦撹拌点接合によって一体に接合することで、たとえば自動車部品に使用する異種金属の摩擦撹拌点接合体とするものである。

具体的には、アルミニウム合金板と鋼板を重ね合わせて、アルミニウム合金板側から鋼板近傍の位置までプローブを挿入し、アルミニウム合金板の残層の厚さを０．２１ｍｍ以上０．３６ｍｍ以下、且つプローブ回転数を１０００ｒｐｍ以上２０００ｒｐｍ以下で、アルミニウム合金板と鋼板とを接合した摩擦撹拌点接合体であって、０．１〜５０ｎｍの厚さのアルミニウムの酸化物及び鉄の酸化物を主成分とするアモルファス層からなる接合界面を有してなることを特徴とするものである。

即ち、アルミニウム合金板と鋼板が接合された摩擦撹拌点接合体において０．１〜５０ｎｍの厚さのアルミニウムの酸化物及び鉄の酸化物を主成分とするアモルファス層からなる接合界面が、該接合界面において脆い金属間化合物が生成されることを防ぎつつ、異種金属間の接合界面における熱収縮の差による応力集中を緩和することによって、該アルミニウム合金板と鋼板とを強固、且つ一体に接合する。

そして、アルミニウム合金板と鋼板が接合された摩擦撹拌点接合体における異種金属のアモルファス層からなる接合界面が０．１ｎｍ未満であると、異種金属の接合界面における熱収縮の差による応力集中が十分に緩和できず、その結果接合強度が十分に確保できなくなるものである。一方、該アモルファス層からなる接合界面が５０ｎｍよりも厚くなると、異種金属の接合界面における熱収縮の差による応力集中は十分に緩和できるものの、脆い金属間化合物が生じてくる恐れがある。

このように、アルミニウム合金板と鋼板との接合において摩擦撹拌点接合を用いることで、異種金属接合体を構成するアルミニウム合金板と鋼板との接合に際して、突き合わせや重ね継ぎ手等の線接合に限定されることがなくなり、設備も簡略化できる上、自動車部品における適用範囲を拡大できる。

特に、前記アモルファス層に含まれる酸素は、上記アルミニウム合金板と鋼板の間の接合界面に形成され易い、脆い金属間化合物の生成を特に妨げる一方で、アモルファス層の形成を促進する。その結果、該アモルファス層による応力集中の緩和性能が向上することから、異種金属の接合界面の接合強度が向上するものである。

本願発明は、簡易かつ安価に、アルミニウム合金板と鋼板を強固に接合するものであるので、たとえば自動車部品の軽量化を目的として使用するにあたってはその適用範囲を拡大できるので、十分に自動車の軽量化を実現し、環境保護又は省エネルギーという社会的要請に十分に応えることができるという優れた効果を有するものである。

以下において、本願発明の実施例であるアルミニウム合金板と鋼板による異種金属の摩擦撹拌点接合体について説明する。

なお、これらの実施例は、本願発明の好ましい一実施態様を説明するためのものであって、これらにより本願発明が制限されるものでない。

まず、図１における１は、アルミニウム合金板２と鋼板３とからなる異種金属の摩擦撹拌点接合体であり、該摩擦撹拌点接合体１は、アルミニウム合金板２表面２’の各接合箇所５において、鋼板３との間で０．１〜５０ｎｍの厚さのアルミニウムの酸化物及び鉄の酸化物を主成分とするアモルファス層からなる接合界面４を有している（図２参照）。そして、該アモルファス層からなる接合界面４は、接合強度の低下を招く脆い金属間化合物の形成を防ぐため、その中に酸素を含むことが望ましい。該接合界面４は、アルミニウム合金板２と鋼板３間における熱収縮の差によって生じる応力を緩和することができるので、異種金属の接合界面４における接合強度を向上させることができる。

なお、本願発明の上記アルミニウム合金板２と鋼板３からなる摩擦撹拌点接合体１は、以下のようにしてなるものである。

まず、アルミニウム合金板２と鋼板３とを積層し、両者を一体に固定して積層体とする。そして、径大な円柱状のショルダー部とその先端に径小且つ円柱状のプローブが一体に形成される段付きの回転工具を１０００〜２０００ｒｐｍで回転させながら、前記プローブを積層体のアルミニウム合金板２側より挿入する。このとき、該回転工具のプローブの先端は、鋼板３の表面３’まで達しないようにアルミニウム合金板２の残層を０．２１〜０．３６ｍｍ残して挿入するものである。このため、回転工具は、その先端のプローブ及びショルダー部により、アルミニウム合金板の残層と該アルミニウム合金板２の残層の挿入方向延長線上に存在する鋼板３の表面３’との間で摩擦撹拌点接合を行うこととなる。その後、同様の作業を一定の間隔で繰り返すことにより、アルミニウム合金板２と鋼板３よりなる積層体を強固且つ一体に接合することができる。

このように本願発明の摩擦撹拌点接合体１は、上記アルミニウム合金板２と鋼板３との間で、０．１〜５０ｎｍの厚さのアルミニウムの酸化物及び鉄の酸化物を主成分とするアモルファス層からなる接合界面４を形成し、該アルミニウム合金板２と鋼板３とを強固且つ一体に接合するものである。

ところで、上記アルミニウム合金板２と鋼板３との間で摩擦撹拌点接合を行う際に、回転工具の回転数は上述のように１０００〜２０００ｒｐｍとすることが好ましい。即ち、１０００ｒｐｍ未満であると回転工具とアルミニウム合金板２との間での摩擦発熱が小さくなり塑性流動が起こりにくく、また２０００ｒｐｍより大であると、摩擦発熱が大きくなり過ぎることで撹拌抵抗が小さくなり過ぎ、十分に摩擦撹拌接合を行えず接合強度が低下してしまうからである。そのため、最も好ましくは１０００ｒｐｍで回転工具を回転させるものである。

また、積層体を構成するアルミニウム合金板２に対して挿入される回転工具のプローブの挿入時において、鋼板３の表面３’までのアルミニウム合金板２の残層の厚さは、０．２１〜０．３６ｍｍとすることが好ましい。即ち、アルミニウム合金板２の残層の厚さが０．２１ｍｍ未満であると、アルミニウム合金板２の強度が弱くなるので回転工具との間での撹拌抵抗が小さくなって摩擦発熱を十分に発生することができず、また０．３６ｍｍよりも大であると、回転工具との間での撹拌抵抗が過大となり、過剰な摩擦発熱と共に、該回転工具のプローブの摩耗が激しくなるものである。そのため、アルミニウム合金板２の残部の厚さは、最も好ましくは０．２１〜０．３１ｍｍとするものである。

そこで、本願発明の実施例として、厚さ１．０ｍｍのアルミニウム合金板２と厚さ０．７ｍｍの鋼板３とを摩擦撹拌点接合により一体に接合し摩擦撹拌点接合体１とした。このとき、回転工具の回転数は１０００ｒｐｍとし、またアルミニウム合金板２側より回転工具のプローブを挿入した場合のアルミニウム合金２の残層の厚さを、０．２１、０．２６、０．３１及び０．３６（ｍｍ）とした。

その結果、上記異種金属の摩擦撹拌点接合体１は、最大約３．６ｋＮ／点という引張剪断強度を示し、強固な接合強度を有する異種金属の摩擦撹拌点接合体１となった。

また、上記アルミニウム合金板２と鋼板３から構成される異種金属の摩擦撹拌点接合体１において、回転工具の各回転数（１０００ｒｐｍ、１５００及び２０００ｒｐｍの場合）におけるアルミニウム合金板２の残層の厚さと引張剪断強度（ｋＮ）との関係を調べるために、以下の試験を行った。そして、この試験と同時に、異種金属の摩擦撹拌点接合体１の接合界面状況、接合界面の温度分布、及び断面組織について詳細な観察を行った。

即ち、供試母材として、厚さ１ｍｍの６０００系アルミニウム合金板２（１．０重量％Ｓｉ、０．５重量％Ｍｇ、残部Ａｌ）Ｔ４調質材と、厚さ０．７ｍｍの軟鋼板３（ＳＰＣＣ、０．０５重量％Ｃ、０．０１重量％Ｓｉ、０．１４重量％Ｍｎ、０．０２重量％Ｐ、０．０１重量％Ｓ、残部Ｆｅ）を各々脱脂して用いた。更に、上記アルミニウム合金板２と軟鋼板３による継手は、幅４０ｍｍ、長さ１２０ｍｍの短冊形状のアルミニウム合金板２と軟鋼板３を長手方向に４０ｍｍ重ねて固定して積層体とした。そして、該積層体のアルミニウム合金板２側より、回転工具のプローブを挿入して摩擦撹拌点接合を行った。なお、該回転工具は、ショルダー径φ１３ｍｍ、プローブ先端径φ４．５ｍｍ、プローブ長さ０．８ｍｍの段付き回転工具である。

このとき、摩擦撹拌点接合における接合条件として、プローブ先端がアルミニウム合金板２の表面２’に接触後、所定の差込み深さに到達し、その後プローブ先端がアルミニウム合金板２から離れるまでの時間、即ち接合時間は２．０秒、該回転工具のプローブの回転数は１０００、１５００及び２０００ｒｐｍ、更に上記アルミニウム合金板２の残層の厚さは０．２１、０．２６、０．３１及び０．３６ｍｍとした。

その結果、図３に示すように、１０００ｒｐｍの場合、アルミニウム合金板２の残層の厚さには殆ど影響されることなく、引張剪断強度は最大３．６ｋＮ／点をという高い傾向を示すものであり、一方、１５００及び２０００ｒｐｍの場合、上記アルミニウム合金板２の残層の厚さが厚いほど、引張剪断強度は低くなるという傾向を示した。また、本願発明の摩擦撹拌点接合体１における引張剪断強度は、アルミニウム合金板同士の摩擦撹拌点接合における引張剪断強度（３．９ｋＮ）よりも僅かに低い値であったものの、アルミニウム合金板２同士の抵抗スポット溶接における引張剪断強度（２．１５ｋＮ）よりも高い引張剪断強度、即ち継手強度を示すことが明確になった。

そして、上記引張剪断試験後の破面を観察すると、アルミニウム合金板２側は、継ぎ手強度に関係なくプローブの先端に相当する部分で鋼板３側に突出する栓抜き破断形態となっており、他方鋼板３側は、アルミニウム合金板２凝着の痕跡があり、その領域（点線で囲まれる領域）は１０００ｒｐｍの場合〔図２（イ）〕が２０００ｒｐｍの場合〔図２（ロ）〕よりも広く明瞭であった。

更に、異種金属の摩擦撹拌点接合体１の断面組織をエッチング法により観察したところ、実際に摩擦撹拌点接合に関与する塑性流動境界部すなわち接合領域（例えば、図２の点線部）は、上記アルミニウム合金板２凝着の痕跡とほぼ一致していることが確認され、具体的には１０００ｒｐｍの場合はφ１１．４ｍｍ、２０００ｒｐｍの場合はφ８．２ｍｍとなっていた。そのため、継手強度を単位接合面積あたりに換算すると、たとえばアルミニウム合金板２の残層の厚さが０．２６ｍｍの時には、いずれも３５〜３６ＭＰａとなって、差異は認められないこととなる。すなわち、継手強度は接合面積に関係することが明確となった。

そこで、改めて回転工具の回転数が２０００ｒｐｍの場合よりも１０００ｒｐｍの場合の方が全体としての継手強度が高くなることについて、接合界面４における温度分布と照らし合わせて検討したところ、次のようなことが明らかとなった。

即ち、２０００ｒｐｍの方が１０００ｒｐｍの場合よりも摩擦発熱が全体的に５０〜８０度高くなっていることから、該摩擦撹拌点接合において、アルミニウム合金板２の塑性流動は、回転工具近傍ではショルダー部とアルミニウム合金板２との摩擦力により撹拌されて生じるのに対して、回転工具から離れた部分ではアルミニウム合金板２に対して働く剪断摩擦力により撹拌されて生じる。そのため、回転工具の回転数が高くなり発生する摩擦発熱が大きくなると、アルミニウム合金板２の変形抵抗が小さくなることから該剪断摩擦力が十分に働かず、回転工具から離れた領域までは撹拌することが困難となって、塑性流動域（例えば、図２の点線部分内）が小さくなるためである。

また、継手強度として高い数値を示す接合条件（回転工具の回転数を１０００ｒｐｍとする。）の下での摩擦撹拌点接合体１の継手断面の接合界面４について、ＳＥＭ観察及びエッチングなしでＥＰＭＡ分析を行ったところ、接合界面４全域にわたって平均０．２μｍの薄い合金層が形成されていることが確認された。また、その接合界面４には僅かではあるものの酸素が確認された。このときアルミニウム合金板２の表面から１μｍ程度アルミニウム合金板２側に移動した位置にＭｇＯの強度ピークが現れていることから、摩擦撹拌点接合中の塑性流動により、アルミニウム合金板２表層部のＭｇＯは撹拌されて巻き上げられていることが明確になった。即ち、接合界面４は摩擦撹拌点接合によって強く撹拌されることから、互いに当接するアルミニウム合金板２と鋼板３の各表面２’、３’の酸化膜が排除されて新生面が創出された上で、新たな接合界面４を形成してなるものである。

そして、上記接合界面４について、電子回折パターン観察及び高分解能ＴＥＭ観察を行ったところ、該接合界面４はアモルファス層からなることが確認され、該アモルファス層からなる接合界面４の厚さも一部で１５〜２５ｎｍの塊状のものも散見されるが、接合界面４全域にわたり少なくとも２〜４ｎｍのものが確認された。なお、ＥＤＳマッピング結果より、該アモルファス層からなる接合界面４は主として酸化物により形成されていると考えられる。

本願発明の異種金属の摩擦撹拌点接合体は軽量化を実現するものであるから、自動車部品のみならず、あらゆる工業製品に対して適用することができる。

本願発明の実施例である異種金属接合体の全体斜視図である。本願発明の実施例である異種金属接合体のＡ−Ａ縦断面図であり、（イ）は１０００ｒｐｍの場合、（ロ）は２０００ｒｐｍの場合である。本願発明の実施例である異種金属接合体における接合条件と引張剪断強度の関係を示す図である。

１異種金属接合体

２アルミニウム合金板

２’ （アルミニウム合金板の）表面

３鋼板

３’ （鋼板の）表面

４接合界面

５接合箇所

Claims

アルミニウム合金板と鋼板を重ね合わせて、アルミニウム合金板側から鋼板近傍の位置までプローブを挿入し、アルミニウム合金板の残層の厚さを０．２１ｍｍ以上０．３６ｍｍ以下、且つプローブ回転数を１０００ｒｐｍ以上２０００ｒｐｍ以下で、アルミニウム合金板と鋼板とを接合した摩擦撹拌点接合体であって、０．１〜５０ｎｍの厚さのアルミニウムの酸化物及び鉄の酸化物を主成分とするアモルファス層からなる接合界面を有してなることを特徴とする摩擦撹拌点接合体。